Д.Г. Кнорре, С.Д. Мызина - Биологическая химия (1128707), страница 3
Текст из файла (страница 3)
Большое значение для решения тонких аналитических задач приобрели иммунохимическне методы, использующие в качестве инструмента анализа антитела — белки, вырабатываемые высшими живыми организмамн в ответ на введение чужеродных веществ. Антитела обладают способностью избирательно взаимодействовать именно с этими, вызвавшими иммунный ответ вешествами и могут поэтому использоваться для их определения в сложных смесях.
Главной чертой химических преврашений в живых организмах является участие в иих специальных биологических катализаторов — ферментов. Для фермен- тов характерна исключительно высокая избирательность по от ношению к веществам, превращения которых они катализируют, — субстратам. Второй их отличительной чертой является способность эффективно катализировать химические превращения в мягких условиях — нодных растворах, чаще всего с рН, близким к нейтральному, и при 20 — 40'С и даже ниже. До недавнего времени считалось, что обязательным компонентом всех ферментов являются белки. Был накоплен огромный материал, свидетельствующий, что именно белки способны опознавать определенные субст ать, б страты, о еспечивая тем самым высокую специфичность биологического катализа.
Кроме того, многочисленные данные демонстрировали, что белки обеспечивают оптимальную ориентацию субстратов относительно функциональных групп фермента, осуществляющих химическое превращение. Этими группами в случае кислотного, основного и нуклеофильного катализа чаще всего являются группы, входящие в состав белка. В сл чае элект у роьильного и окислительно-восстановительного катализа в химическом превращении, как правило, участвуют специальные кофакторы — ионы металла или сложные органические молекулы.
Но в этом случае белковая часть фермента организует работу кофактора так, чтобы обеспечивалась свойственная ферменту специфичность и одновременно с высокой эффективностью реализовался каталитический потенциал кофактора. Однако в начале 00-х годов были открыты и стали объектом интенсивных исследований ферменты, построенные из молекул рибонукленновых кислот (рибозимы). Интерес к этой группе ферментов резко усилился в связи с разработкой методов молекулярной селекции нуклеиновых кислот, позволившей, в ° а ри оэимов с аэ б частности, начать направленное конструирование р нообразными типами каталнтической активности.
Химические превращения, изучаемые биохимией, — это в подавляющем большинстве случаев процессы, катализируемые ферментами. Применительно к реакциям, протекающим с участием ферментов, и системам таких реакций приводящим в итоге к определенному химическому результату, часто применяют термин Химические реакции, протекающие в живой природе, и субстраты этих реакций чрезвычайно разнообразны. Вместе с тем имеется отчетливая тенденция использовать ля о поти д д нных реакций одни и те же сложные органические молекулы Нап име во мно Р р гих десятках различных реакций окисления спиртов и ка бонильных и соединений в качестве окислителя используется одно и то же соединение — никотинамидадениндинуклеотид (НАД).
Такие используемые в большой группе биохимических превращений вещества называют кофержентажи. Чаще всего они выполня лняют роль универсальных переносчиков отдельных атомов или г пп. НА, нап име оу . П, ример, является универсальным переносчиком атомов водорода, ко мент а — ни сйер — универсальный переносчик ацильных групп, теграгидрофолат — одноуглеродньзх фрагментов и т.д.
Наиболее высокоо оорганнзованными являются ферменты, с помощью которых осуществляется си синтез новых молекул биополимеров, белков и нуклеиновых кислот. Этн е ме рм нты обладают способностью не только катализировать образование пептидных или ме дных или межнуклеотидных связей, но и воспринимать информацию, пост паю ю в в шу в виде специальных информационных молекул — нуклеиновых кислот. На каж ом зт аждом этапе роста цепи нуклеиновые кислоты программируют, какой из мономе ов олж р в должен быть отобран ферментом и присоединен к растущей снптези емой ру цепи, Такие информационные молекулы называют матрицами, а фер- 11 ГЛАВА 1 УРОВНИ О!'ГАНИЗАЦИИ ЖИВОЙ МАТЕРИИ НзС СН-"СН н с н=сн, -ООС вЂ” )СН,) ООС вЂ” )СН,) менты, катализирующие синтез биополимеров по программам, задаваемым матрицами, — ферментами матричного биосинтеза.
Конечной целью химических процессов, протекающих в живой природе, чаще всего является либо синтез сложных органических молекул из простых, доступных живому организму предшественников, либо деградация таких молекул до простых соединений, выводимых из организма. Важную роль химические превращения играют в обеспечении жизнедеятельности организма энергией, необходимой для совершения различных видов работы. В этом случае с целью уменьшения бесполезного рассеяния энергии в теплоту желательно разумное приближение к обратимому протеканию превращения.
Каждая такая задача решается системой последовательных реакций, оптимизированной по химическому содержанию и энергетике каждого этапа и осуществляемой каскадом ферментов. Как правило, такие системы подвержены различным регуляторным воздействиям, т.е. в зависимости от конкретной биологической ситуации они могут включаться и выключаться или, по крайней мере, скорость и масштаб их функционирования могут изменяться в весьма широких пределах.
Организация химических превращений веществ в виде регулируемых систем каталитических реакций — ваяснейшая особенность химии живых организмов. Эффективное функционирование таких систем в ряде случаев достигается специальной пространственной организацией составляющих элементов. Так, группа ферментов, катализирующих цепочку последовательных превращений, может быть организована в единый комплекс, что облегчает поступление продукта одной реакции к ферменту, использующему этот продукт в качестве субстрата для дальнейшего превращения Особенно существенна специальная пространственная организация биохимических систем, участвующих в восприятии и преобразовании сигналов и в процессах, связанных со взанмопревращениями различных форм энергии.
Именно эти главные особенности биохимических объектов и биохимических превращений положены в основу построения предлагаемого читателю курса биохимии. 1.1. МОЛЕКУЛЯРНЫЙ УРОВЕНЬ ОРГАНИЗАЦИИ ЖИВОЙ МАТЕРИИ Живые организмы состоят из огромного числа различных химических компонентов — органических и неорганических, низкомолекулярных и полимерных. Прежде всего среди неорганических компонентов должна быть названа вода, так как все известные жизненные процессы протекают в водных растворах.
Для поддержания ионной силы и рН среды, при которых протекают процессы жизнедеятельгостн, необходимы определенные концентрации неорганических ионов. Многочисленные органические соединения, например, этиловый спирт, ацетальдегид, уксусная кислота, являются продуктами и ' субстратами биохимических превращений. Большое число соединений, найденных в живых организмах, представляют собой различные комплексы.
В качестве примера можно привести ~е.а, который представляет собой комплекс железа с плоской молекулой протопорфирина: В живой материи нпироко представлены различные регулярные полимеры. Например, чрезвычайно широко распространенная в растительном мире целлюлоза является полисахаридом, состоящим из повторяющихся молекул б-))-глюкозы. Однако такие молекулы не могут образовать даже самые простейшие формы жизни.
Последние характеризуются значительно высоким уровнем организации и, следовательно, требуют значительно более сложных ц специализированных соединений. Таковыми являются белки и нуклеиповые кислоты — сложные полимерные молекулы, обязательные компоненты живых организмов.
Структура и функции этих соединений будут детально описаны в последующих главах этой книги. Задача данной главы — показать основные принципы организации биополимеров, продемонстрировать, как эти принципы позволяют выполнять основополагающие функции живых организмов передавать из поколения в поколение 13 наследственную информацию, осуществлять метаболизм (совокупность химических реакций, протекающх в организме) и обеспечивать эволюцию живых существ. Среди большого числа различных функций, выполняемых белками, в первую очередь следует отметить их роль в протекании метаболических процессов.
Многочисленные химические превращения в клетке осуществляются в мягких условиях при температурах, близких к 40'0, и значениях РН среды, близких к нейтральным. В этих условиях скорости протекания большинства химических превращений в живых организмах ничтожно малы, поэтому обязательно присутствие специальных биологических катализаторов — ферлзеитоо (эиэи.иоо). Даже такая простая реакция, как дегидратация угольной кислоты 00 + Н 0 НСО + Н' до диоксида углерода, катализируется в живых организмах специальным ферментом — карбоаияидраэой. Как правило, ферменты — это либо белки, либо комплексы белков с каким-либо кофахтором — ионом металла или специальной органической молекулой.
Белки представляют собой полимеры, построенные из а-аминокислот, соединенных так называемой пептидной связью. Таким образом, с химической точки зрения, они являются полипептидами. На сегодняшний день может считаться установленным, что все белки строятся из набора 20 различных аминокислот. Следовательно, белки могут различаться длиной полипептидной цепи, числом каждой из 20 аминокислот, присутствующих в полимерной молекуле, и порядком чередования аминокислотных остатков вдоль цепи.
Из двадцати различных аминокислот, содержащих зУ аминокислотных остатков, можно построить 20зс различных полипептидов. Поэтому даже для сравнительно короткого полипептида, содержащего всего 100 амииокислотных остатков, это число будет равно 20'оо = 10ззо = 10 . Эта величина превышает суммарное число иуклонов во всей доступной наблюдению части Вселенной на 50 порядков. Поэтому число мыслимых аминокислотных последовательностей может рассматриваться как практически неисчерпаемое. Кроме участия в биокатализе белки выполняют и многие другие разнообразные и важные функции, которые будут Рассмотрены как в этой, так и в последующих главах книги, Однако уже только тот факт, что белки выполняют функции ферментов, свидетельствует об их абсолютной необходимости для жи— вых организмов. Конечно, ни каталитическая, ни какая другая функция белков отнюдь не присущи полипептидам как классу полимерных молекул.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
